Astuces DotNet (Sébastien Courtois)

06/10/2010

[XNA 4] Tutoriel 3D 2 : Cube / VertexBuffer / IndexBuffer

Après avoir joué avec un triangle lors du tutoriel précédent, nous allons maintenant voir comment faire un cube coloré. Nous allons aussi étudier la gestion des vertices au sein de la carte graphique et comment optimiser l’affichage et le rendu 3d.

Nous reprendrons le résultat du dernier tutoriel pour commencer celui-ci.

  • Au commencement était le cube…

Nous allons commencer par un petit rappel sur la définition mathématique d’un cube. Un cube est une forme géométrique à 3 dimensions comprenant 6 faces, 12 arêtes et 8 sommets.

180px-Hexahedron

Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessus, les faces mathématiques sont des carrés. Or XNA ne permet de définir que des triangles. Il faudra compter donc 2 triangles par face pour notre cube. Cela donnera quelque chose comme cela.

xna_tuto3d2_1

Comme indiqué lors de l’introduction de cet article, nous souhaitons réaliser un cube coloré. Chaque face ayant une couleur uni et différente des autres faces or, en XNA, chaque sommet a une position et une couleur unique. Un sommet d’un cube est commun à trois faces. Mais on ne peut pas, avec un seul sommet, assigné trois couleurs différentes. il sera donc nécessaire de créer, pour un même sommet mathématique, 3 vertices (un pour chaque face auquel il est relié). On passe donc de 8 sommets mathématiques à 36 vertices.

Nous allons créer une nouvelle méthode CreateCubeColored afin de créer l’ensemble des vertices.

private void CreateCubeColored()
{
    this.vertices = new VertexPositionColor[]
    {
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Red), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Red), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Red), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Red), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Red), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Red), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Green), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Green), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Green), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Green), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Green), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Green), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Blue), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Blue), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Blue), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Blue), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Blue), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Blue), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Orange), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Orange), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Orange), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Orange), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Orange), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Orange), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Purple), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Purple), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Purple), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Purple), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Purple), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Purple), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Yellow), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Yellow), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Yellow), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Yellow), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Yellow), 
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Yellow), 
    };
}

Remarque : l’ordre des vertices est important car dépendant du backface culling expliqué dans le tutoriel précédent. L’écriture de ces définitions de vertices peut être fastidieux à la longue. Il est à noter que cela est rarement utilisé. On préfère utiliser des modeleurs 3D (type Blender, Maya ou 3DSMAX) pour réaliser des modèles fournissant directement ces données.

On modifie maintenant la méthode Initialize pour appeler la méthode CreateCubeColored.

protected override void Initialize()
{
    //this.CreateTriangle();
    this.CreateCubeColored();
    this.CreateCamera();

    base.Initialize();
}

Puis on réalise l’affichage du cube de la même façon que pour le triangle (sans changer une ligne de code).

protected override void Draw(GameTime gameTime)
{
    GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

    effect.View = View;
    effect.Projection = Projection;
    effect.World = World * Matrix.CreateRotationY(RotateZ);
    effect.VertexColorEnabled = true;

    foreach(EffectPass pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
    {
        pass.Apply();
        this.GraphicsDevice.DrawUserPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, vertices, 0, vertices.Length / 3);
    }
    base.Draw(gameTime);
}

Vous obtenez un Cube coloré qui tourne sur lui-même.

xna_tuto3d2_2

  • Gestion de la mémoire : VertexBuffer

Lorsque nous créons un tableau de vertices, celui-ci est stocké au niveau de la RAM du microprocesseur (CPU). Lors de l’appel à la méthode DrawUserPrimitives, nous fournissons le tableau de vertices. La méthode va chercher en RAM les données pour les copier sur la mémoire de la carte graphique puis faire le rendu adéquat. Or, vu que la méthode DrawUserPrimitives est appelée 60 fois par secondes, cette copie à lieu un grand nombre de fois inutilement car les données n’ont pas changé.

Pour pallier ce problème, il existe une classe VertexBuffer chargé de copier une fois pour toute les données des vertices sur la mémoire de la carte graphique et de les réutiliser directement.

Pour réaliser créer le VertexBuffer, il suffit de modifier CreateCubeColored.

private VertexBuffer vb;

private void CreateCubeColored()
{
    this.vertices = new VertexPositionColor[] { /* Données du cube */ };
    this.vb = new VertexBuffer(this.GraphicsDevice, typeof(VertexPositionColor), this.vertices.Length, BufferUsage.WriteOnly);
    vb.SetData(this.vertices);
    this.GraphicsDevice.SetVertexBuffer(this.vb);
}

Le constructeur du VertexBuffer prend en paramètre le lien vers la carte graphique, le type de vertex utilisé, le nombre de vertices à stocker ainsi que l’utilisation que l’on compte faire du VertexBuffer. Ce dernier paramètre peut avoir deux valeurs : None (par défaut) ou WriteOnly (optimisé pour l’écriture et la modification des données). Une fois créé, on remplit le VertexBuffer avec le tableau vertices puis on fournit le VertexBuffer à la carte graphique grâce à la méthode SetVertexBuffer en vue de la copie des données.

Au niveau de l’affichage, on va remplacer la méthode DrawUserPrimitives par DrawPrimitives.

protected override void Draw(GameTime gameTime)
{
    GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

    effect.View = View;
    effect.Projection = Projection;
    effect.World = World * Matrix.CreateRotationY(RotateZ);
    effect.VertexColorEnabled = true;

    foreach (EffectPass pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
    {
        pass.Apply();
        //this.GraphicsDevice.DrawUserPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, vertices, 0, vertices.Length / 3);
        this.GraphicsDevice.DrawPrimitives      (PrimitiveType.TriangleList,           0, this.vertices.Length / 3);
    }
    base.Draw(gameTime);
}

Les deux méthodes ont une seule différence dans leur paramètre. Le deuxième paramètre de DrawUserPrimitives n’existe plus dans DrawPrimitives. Ce paramètre servait à fournir le tableau de vertices. Cela n’est plus nécessaire car DrawPrimitives va chercher les données sur les vertices dans le VertexBuffer défini précédemment.

On obtient le même résultat que précédemment si on exécute l’application.

  • IndexBuffer : Optimisation mémoire des vertices

Si vous regarder la liste des vertices décrivant le cube, vous remarquerez que certains sont redondant (le [0] et le [3], le [2] et le [4] …). XNA fournit un moyen de réduire ces redondances en ne fournissant qu’un seul vertex qui sera réutilisé par plusieurs faces. Pour cela, on a besoin de deux tableaux : un tableau de vertices “uniques” et un tableau d’index qui va permettre de lié les vertices et les faces.

int[] indices;

private void CreateIndexedCubeColored()
{
    this.vertices = new VertexPositionColor[]
    {
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Red),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Red),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Red),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Red),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Green),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Green),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Green),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Green),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Blue),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Blue),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Blue),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Blue),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , -1)   ,Color.Orange),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , -1 , 1)    ,Color.Orange),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Orange),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Orange),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , -1)  ,Color.Purple),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , -1 , 1)   ,Color.Purple),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Purple),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Purple),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , 1)     ,Color.Yellow),
        new VertexPositionColor( new Vector3(1 , 1 , -1)    ,Color.Yellow),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , -1)   ,Color.Yellow),
        new VertexPositionColor( new Vector3(-1 , 1 , 1)    ,Color.Yellow)
    };

    this.indices = new int[]
    {
        0, 3, 2, 0, 2, 1,
        4, 7, 6, 4,6, 5,
        8, 11, 10,8,10, 9,
        12, 15, 14, 12, 14, 13,
        16, 19, 18,16,18, 17,
        20, 23, 22,20,22, 21            
    };

}

La nouvelle méthode CreateIndexedCubeColored créé un tableau de 24 vertices uniques et un tableau d’indices liant les triangles aux vertices. Ainsi le premier triangle sera les trois premières valeurs du tableau d’indices (0,3,2). Cela permet de réduire les redondances et d’alléger la mémoire.

Méthode sans IndexBuffer : 36 vertices de 16 octets => 576 octets

Méthode avec IndexBuffer : 24 vertices de 16 octets + 144 octets d’indices => 528 octets (ou 24*16+72 => 456 octets si on utilise des short à la place de int pour les indexs).

Même si la différence ne parait pas énorme sur un cube, il faut imaginer qu’elle est très grande quand les vertices/modèles deviennent très complexe.

Pour l’affichage de données indexés, il est nécessaire comme pour les vertex d’utiliser un VertexBuffer et un IndexBuffer.

VertexBuffer vb;
IndexBuffer ib;
int[] indices;

private void CreateIndexedCubeColored()
{
    this.vertices = new VertexPositionColor[]  {  /*Vertices*/ };

    this.indices = new int[]  { /*Indices*/ };

    this.vb = new VertexBuffer(this.GraphicsDevice, typeof(VertexPositionColor), this.vertices.Length, BufferUsage.WriteOnly);
    vb.SetData(this.vertices);
    this.GraphicsDevice.SetVertexBuffer(this.vb);

    this.ib = new IndexBuffer(this.GraphicsDevice, IndexElementSize.ThirtyTwoBits, this.indices.Length, BufferUsage.WriteOnly);
    this.ib.SetData(this.indices);
    this.GraphicsDevice.Indices = this.ib;

}

L’indexBuffer se crée de la même façon que le VertexBuffer. La seule différence se situe sur le deuxième paramètre où il est nécessaire d’indiquer le type de données utilisée pour les index. Deux possibilités : 32 bits (int) ou 16 bits (short). Le choix est ouvert et dépend du nombre de vertices utilisés (short est compris entre –32768 à +32768.) et de la technologie sous-jacente. Le Windows Phone, par exemple, ne gère que des indexs 16 bits.

Une fois les VertexBuffer et IndexBuffer configurés et liés à la carte graphique, il ne reste plus qu’à afficher le nouveau cube.

protected override void Draw(GameTime gameTime)
{
    GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

    effect.View = View;
    effect.Projection = Projection;
    effect.World = World * Matrix.CreateRotationY(RotateZ);
    effect.VertexColorEnabled = true;

    foreach (EffectPass pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
    {
        pass.Apply();
        //this.GraphicsDevice.DrawUserPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, vertices, 0, vertices.Length / 3);
        //this.GraphicsDevice.DrawPrimitives      (PrimitiveType.TriangleList,           0, this.vertices.Length / 3);
        this.GraphicsDevice.DrawIndexedPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 0, this.vertices.Length, 0, this.indices.Length / 3);
    }
    base.Draw(gameTime);
}

On utilise cette fois la méthode DrawIndexedPrimitives. Le premier paramètre reste le type de primitives à dessiner. Le dernier paramètre correspond toujours au nombre de primitives (triangles) à dessiner.

Les 4 paramètres intermédiaires se nomment baseVertex,minVertexIndex, numVertices et startIndex et leur fonctionnement est un peu plus complexe.

Le paramètre baseVertex permet de décaler la valeur des indices d’une constante. Ainsi si on a un tableau d’indices {0,2,3} et que l’on met baseVertex à 30; durant le temps de l’appel DrawIndexPrimitives, le tableau d’indices va devenir {30,32,33}. Dans notre cube, on laisse cette valeur à 0 car nos indices sont déjà aux bonnes valeurs.

fig4

Exemple de l’affichage de deux triangles à partir d’un index Buffer (tiré  du blog de John Steed).

Prenons l’exemple ci-dessus d’un index buffer contenant deux triangles. Si l’on souhaite n’afficher que le deuxième, on mettra la valeur de startIndex à 3 (startIndex représentant la position de début du triangle dans l’indexbuffer). MinIndex représente la valeur d’index minimale utilisé (ici les valeurs d’index pour le triangle sont 3,2,0 => Minimun : 0). Enfin la plage d’index pour ce triangle est 0=>3. Par conséquent le nombre de vertices qui seront potentiellement utilisable est de 4. En effet, on prend aussi les vertices contenues dans la plage même s’ils ne sont pas utile (ici, le vertex 1 n’est pas utile pour le dessin du triangle 2).

Pour une explication peut être plus claire et en anglais sur ces paramètres, je vous conseille ce post.

  • Et les performances dans tout ça…

J’ai rajouté deux compteurs de FPS afin d’analyser les différences de performances entre les différentes méthodes. Les résultats pour le cube ont été sensiblement équivalents pour l’ensemble des méthodes. Toutefois, il ne faut pas en conclure que les VertexBuffer/IndexBuffer sont inutiles. En effet, dans le cas de modèles importants, le temps et la mémoire gagnés par ces mécanismes permet une amélioration sensible des performances.

Pour savoir la méthode qui convient le mieux à votre projet, vous n’avez pas d’autres moyens que de tester et mesurer les performances pour chacune des méthodes.

  • Conclusion

Après le triangle, nous avons vu comment créer un cube en optimisant les données fournies à la carte graphique. Dans le prochain tutoriel, nous allons créer un dé en texturant notre cube.

Code Source de ce tutoriel

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